1、VMW 内部培训资料 电气和电子系统基本原理售后服务培训产品信息电气 / 电子系统基本原理BMW 售后服务产品信息电气 / 电子系统基本原理电子，质子，中子电压/电流欧姆定律电阻器，电容器和线圈半导体技术半导体元件模拟/数字信号逻辑电路数据传输有关本产品信息的说明所用符号为了便于理解内容并突出重要信息，在本产品信息中使用了下列符号： 所包含的信息有助于更好地理解所述系统及其功能。 表示某项说明内容结束。产品信息的当前状况由于 BMW 对车辆结构和装备不断进行后续研发，因此本产品信息中的内容与培训所用车辆情况可能会不一致。本手册发行时仅针对左侧驾驶型车辆。右侧驾驶型车辆部分操作元件的布置位置与本
2、产品信息的图示情况不同。目录电气 / 电子系统基本原理简介 1为什么电工学的基础知识如此重要？ 1功能 1原子，电子和电荷载体 1电压 5电流 9电阻 15欧姆定律 20电功率 21电路 22电容器和电容 26线圈和电感 29半导体技术 34半导体元件 37模拟/数字信号 50逻辑电路 54数据传输 63总结 66我应当记住什么。 66测验问题 69问题目录 69问题答案 71序言电气 / 电子系统基本原理为什么电工学的基础知识如此重要？现在 BMW 车辆使用的电子系统越来越多。其原因在于可靠性高，具有附加工作流程且更快，并能减小组件尺寸。在车辆中安装电子系统的最终目的在于使车辆更安全、更可靠
3、、更舒适，从而确保现在和将来的销售业绩。为了了解电气或机电系统内的复杂关系，电气/ 电子系统的基础知识对于“非电工”人员来说也非常重要。本产品信息总结了电工学方面的基础知识。其中既包括最重要的电工学公式和定律，而且还介绍了最重要的组件，例如电阻、电容器、线圈等。本产品信息以简明扼要的方式介绍了最重要的主题。以本产品信息为基础提供关于“普通车辆电气系统”主题的其它产品信息，可根据具体市场要求将这些信息结合在培训内容中。本产品信息也可用作参考资料。功能电气 / 电子系统基本原理原子，电子和电荷载体为了能够更好地了解电压、电流、电阻以及半导体、导体和绝缘体等电学参数，在此需要介绍一些原子物理学的基本
4、原理。原子所有物质都由大约 100 种不同的元素构成。这些元素中最小的组成部分是原子。大约2500 年前，德谟克利特（古希腊学者）就提出了世界是由不可分割的微粒构成的假设。由此得到了原子这个名称：a-tomos（原子）= 不可分割。现在我们知道，原子是可分割的，由中子、质子和电子组成。有多种关于原子结构的理论。尼尔斯玻尔理论是电工学理论中最为直观的一个。上图所示的原子模型即玻尔原子模型。它表示了电子、质子和中子之间的相互关系。人们假设，原子由一个原子核和一个原子壳组成。该结构与行星体系的结构相似：行星（原子壳）围绕太阳（原子核）旋转。原子核位于原子的中心。它由质子和中子构成。中子是不带电荷的质
5、量粒子。质子是带正电荷的粒子。质子和中子的质量几乎相等。原子核带正电荷，原子的全部质量几乎都在原子原子核上。电子是带负电荷的粒子。原子壳内电子的数量与原子核内质子的数量相等。质子或中子的质量大约比电子质量大 2000 倍。原子向外呈电中性。原子核和原子壳带有相同数量的电荷（质子和电子）。相反电荷之间的电引力使原子核和原子壳结合在一起。电子可借助外部能量（例如光、热和化学过程）达到更高的能量级以及由此返回初始状态，在这个过程中同时吸收或释放出能量。电子电子在围绕原子核的几个圆形或椭圆形轨道上移动。根据具体物质（例如铜、铅、铝）最多有七条这样的轨道，这些轨道由内向外用数字1 至 7 或大写字母 K
6、 至 Q 命名。在每条轨道上始终只有特定数量的电子在移动。每条轨道上电子数量最多为：例如，在围绕氢原子原子核的轨道 1 上只有一个电子。而在围绕铜原子原子核的 4 条轨道（K2、L8、M18 和 N1）上则有 29 个电子。在原子最外侧轨道上的电子也称作价电子。它们负责使不同原子结合在一起。原子倾向于让尽可能多的电子位于其最外侧的轨道上。为了达到这种状态，原子与其它子形成化合物。电子多于质子或质子多于电子时将原子称为离子。离子一词来源于希腊语，表示迁移。只有几个价电子的原子很容易释放出电子。随后原子的质子便多于电子，从而变成阳离子。带有较多价电子的原子很容易吸收其它电子，以便补充其最外侧的电子
7、壳。随后原子的电子便多于质子，从而变成阴离子。由此产生的阳离子和阴离子相互吸引，形成紧密连接的化合物。从而产生一种新的物质。至少包括两个原子的新化合物称为分子。电荷载体电荷载体可以是电子（金属电荷载体）或离子（液态和气态电荷载体）。由于外侧电子（价电子）与原子核的距离相对较远，因此这些电子与原子核的连接较弱。原子吸收能量（例如热、光和化学过程）后，价电子从原子外侧壳体上脱离。形成所谓的自由电子。自由电子从一个原子移动到另一个原子时称为电子流动或电流。电子流动不仅包括一个单独的自由电子，而是包括很多自由电子。自由电子的这种移动是不定向的，即没有任何优先移动方向。电压什么是电压？正电荷与负电荷分别
8、位于不同两侧时便产生了电压电源。电压电源始终具有带有不同电荷的两极。一侧是缺少电子的正极。另一侧是电子过剩的负极。在负极与正极之间有一种电子补偿趋势，即两极连接起来时电子由负极流向正极。这种电子补偿趋势称作电压。下面以车辆蓄电池为例说明电压原理。车辆蓄电池内的电化学过程使电荷分离： 电子聚集在一侧（负极）， 另一侧缺少电子（正极）两极之间产生一个电势差，即电压。（当两点如蓄电池两极之间存在电子数量差时就会产生电压。）电压的高低取决于电子数量之差。如果用一个带有规定电阻的导体将蓄电池两极连接起来，电子就会从负极移向正极。电流一直流动，直至两极之间不存在电势差或电路断路。可按以下方式描述电压： 电
9、压是施加在自由电子上的压力或作用力。 电压是产生电流的原因。 两点或两极之间产生电荷差时就会形成电压（压力）。公式符号电压的公式符号是大写的 U。计量单位电压 U 的计量单位是 1 伏特（V）。测量电压用电压表测量电压。测量电学参数（电压、电流、电阻）时通常使用一个数字万用表。电压表始终与用电器、元件或电压电源并联在一起。为了不影响待测电路，电压表内阻应尽可能大。在电压电源上测量时测量瞬时电压。用电压表测量时要注意以下几点： 必须设置电压类型，即交流电压或直流电压（AC/DC）。 开始时应选择较大的测量范围（量程）。 测量直流电压时注意极性。 测量后要将电压表调到最大的交流电压量程。电压类型直
10、流电压电压值和极性保持不变的电压称为恒定（理想）直流电压。8 理想直流电压图电压值变化和极性保持不变的电压称为直流电压。最常用的直流电压电源包括原电池（蓄电池）、相应的发电机（部分接有整流器）、光电池（太阳能系统）和开关模式电源。在技术领域还通常组合使用变压器和整流器。在此有几个电压值示例： 闪电：几百万伏特 车辆点火时：15 000 V 车辆供电：12 V 电池：1.5 V 至 9 V交流电压数值大小和极性不断变化的电压和电流称为交流电压和交流电流。交流电压的典型代表是家庭常用的“来自插座的电流”。上图显示了一个正弦交流电压（u）随时间（t）变化的情况。交流电压的特点是其方向呈周期性变化。在
11、欧洲，交流电压为 230 V，频率为 50 Hz。该频率（通常也称为电源频率）表示每秒钟电流朝相同方向流动的次数。在此有几个电压值示例： 高压架空线：最高 400 000 V 有轨电车：500 V 欧洲家用电器：230 V 电话：60 V电流什么是电流？电流是指电荷载体（例如物质或真空中的自由电子或离子）的定向移动。电压是产生电流的原因。只有在闭合的电路内才有电流流动。电路由电源（例如电池）、用电器（例如一个白炽灯泡）和导线组成。通过开关可使电路闭合或断开。每个电导体都带有自由电子。电路闭合时，所施加的电压使导体和用电器的所有自由电子同时朝一个方向移动。每个时间单位内流动的电子（电荷载体）数量
12、就是电流强度，俗称电流。每秒钟内流经导体的电子越多，电流强度就越大。电流强度用电流表测量。公式符号电流强度的公式符号是大写的 I。计量单位电流强度 I 的计量单位是 1 安培（A）。今天，电流是输送和提供能量的最重要方式之一。因此今天的所有照明装置、大部分家用电器以及所有电子装置和计算机技术都用电能驱动。电流的流动可通过各种不同的效应来决定。在此主要是热效应和磁效应。电流类型根据电子移动方向将电流分为直流电流和交流电流。直流电流最简单的情况是，电流流动不随时间而改变。这种电流称为直流电流（DC）。直流电流有两个电流方向：- 技术电流方向：从正极流向负极- 物理电流方向：电子在闭合电路内从负极流
13、向正极。 在导体内的准确过程尚不清楚时，人们认定电压电源外部的电流方向为从正极流向负极。这种电流方向称为技术电流方向。虽然当时这种假设已遭到驳斥，但出于实际原因仍保留了原来（历史）的电流方向。因此，即使在今天仍将电路内部的电流方向规定为从正极流向负极。为了了解电流流动机制并找出物质的特定电气特性，人们考虑了电荷载体的实际移动情况在一个闭合电路内，负极排斥自由电荷载体（电子），正极吸引自由电荷载体（电子）。因此产生一个从负极流向正极的电子流。该电流方向为物理电流方向，又称为电子流动方向。交流电流除直流电流外还有交流电流（AC）。交流电流是指以周期方式改变其极性（方向）和电流值（强度）的电流。该定
14、义也适用于交流电压。交流电流的特点是其电流方向呈周期性变化。电流变化频率（通常也称为电源频率）表示每秒钟内电流朝相同方向流动的次数。例如欧洲家用电流的频率为 50 Hz。通过发电站的发电机产生交流电压 / 交流电流。为此发电机内的转子旋转 360 度。由此产生一个极性变化的电压，即正弦曲线形式的电压。欧洲最重要的交流电压是 230 V 电源。其频率为 50 Hz。这相当于发电机内的转子每秒钟旋转 50 圈。交流电流的平均电流强度为零。交流电流无法确定流动方向。但为了能够得到电流强度，仍规定了交流电流的有效电流强度。均方根值 ieff 大约是峰值电流的 70 %。均方根值表示哪个直流电流有相同的
15、功率。该参数表示与交流电流输送电荷量相同的直流电流。脉动电流如果在一个电路中直流电源和交流电源可同时起作用，就会产生脉动电流。因此，周期电流是直流电流与交流电流叠加的结果。测量电流电流表始终与用电器串联在一起。为此必须断开电路导线，以将电流表加入电路中。测量时电流必须流经电流表。电流表内阻应尽可能低，以免影响电路。用电流表测量时要注意以下几点： 注意电流类型，即电路中流过的是交流电流还是直流电流（AC/DC）。 开始时应选择尽可能大的量程。 注意直流电流的极性。 测量后要将电流表调到最大交流电压量程。电流夹钳另外一种测量电流的方法是使用电流钳。如果待测电流强度 10 A，那么用电流夹钳测量电流
16、的优势非常突出。 另一个优点是测量电流强度时无需打开电路。电流强度的一些示例： 闪电： 100000 A 铝熔炼炉：大约 15000 A 电焊：500 A 起动机：最高 250 A 有轨电车：大约 50 A 熨斗：2 A 彩色电视：最高 1 A 白炽灯泡（100 W）：230 V 时为 0.45 A 便携式计算器：0.007 A电流密度电流密度表示一个导体内电子挤压在一起时的紧密程度。电子越多且越紧密的聚集在一起，电子撞击原子的频率就越高、强度就越大。相撞时释放出热能。导体的温度升高。该过程可能会持续进行，直至导体赤热或燃烧。导体温度升高不仅受电流强度 I 的影响，而且还受到导线横截面的影响。
17、电流密度 J 由这两个因素决定。一个导体内的电流挤压密度越大，受热程度就越大。公式符号电流密度的公式符号是大写的 J。计量单位电流密度由以安培（A）为单位的电流和以平方米（mm2）为单位的导线横截面构成。因此电流密度的计量单位是 A/mm2。公式电流和电压的替代模式也可以将电压和电流与水流进行对比。 在上部管路水流（高电势点）与下部管路水流（低电势点）之间存在一个高度差（位差 = 电压）。将水流从下部泵至上部的水泵相当于电压电源。水龙头打开时水流流动，并驱动涡轮的叶轮。在此过程中进行能量转换。同理，电荷载体在电路中的导体内流动，形成从高电势点流至低电势点的电流。信号灯相当于涡轮（能量转换器）。
18、管内的水越多，到达管端部的水就越多。电流也是如此。电子数量越多，通过导体的电流强度就越大。电阻定义自由电荷载体在导体内部移动的结果是，自由电荷载体与原子相撞，因此电子流动受到干扰。这种效应称作电阻！该效应使电阻具有限制电路内电流的特点。电阻也称为欧姆电阻。在电子系统中，电阻的作用非常重要。除作为元件的标准电阻外，其它各部件都有一个可影响电路电压和电流的电阻值。公式符号电阻的公式符号是大写的 R（英语电阻一词的第一个字母）。计量单位电阻的计量单位是欧姆，符号是希腊字母 （欧米加）。电路符号测量欧姆电阻欧姆电阻值用欧姆表测量。在大多数情况下使用多量程测量仪（万用表），以免出现读数错误和不准确。测量
19、电阻时要注意以下几点： 测量期间不得将待测部件连接在电压电源上，因为欧姆表使用本身的电压电源并通过电压或电流确定电阻值。 待测部件必须至少有一侧与电路分离。否则并联的部件会影响测量结果。 极性无关紧要。导体的电阻导线的电阻取决于导体的尺寸、比电阻和温度。导体越长电阻值越大。导体横截面越大电阻值越小。相同尺寸的不同材料其电阻值不同。每种物质都有一个特定的比电阻 。某种物质的比电阻是指温度为 20 C 时长 1m、横截面为 1 mm2 导体的电阻值。温度越低电阻越小。按照下列公式计算导体电阻：下表列出了一些电工学中所用导体的比电阻。导体、非导体和半导体在电工学中通常还会用到电阻的倒数，即电导率。电
20、导率的公式符号是 G，单位是西门子的缩写S。根据材料的电导率将其分为导体、非导体和半导体。导体导体分为电子导体和离子导体。电子导体由相互紧密连接的金属原子构成。金属的外壳中只有少量电子（价电子），而且这些电子很容易脱离原子。它们在原子核构成的晶格内移动相对自由。由于热能的缘故，电子在晶格内的移动非常不规则。通常不会变换位置，也不会进行电荷转移。当导体承受一个电压力即电压时，电子就会朝某个特定方向移动。电子流从负极流向正极。由于金属的晶格结构，电子可在原子之间比较自由地移动。需要注意的是，电子流不会使金属发生任何变化。但在离子导体内的情况则不同。离子导体包括导电液体（电解液）、熔液和电离的气体。
21、电荷载体既可以带正离子也可以带负离子。离子流会使物质发生变化。非导体（绝缘体）绝缘体内自由电荷载体的数量为零。因此电导率也极低。通常使用绝缘体或绝缘材料使电导体相互绝缘。非导体包括塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、纸等固体以及纯水（H2O）、油和油脂等液体，也包括特定条件下的真空和气体。半导体半导体的电导率介于金属和绝缘体之间。半导体与导体的区别在于，价电子首先在压力、温度、光照或磁力等外部影响下释放出来，之后才具有导电性。半导体材料包括硅、锗和硒等。作为元件使用的电阻由于在大多数情况下导线的电阻都会带来不利影响，因此电子系统通常需要将电路电流限制在一个特定限值内。在此根据具体用途将相应类型和大小的电阻
22、作为元件使用。由于电阻尺寸通常很小且不印出或很难看清电阻值，因此通常用色环来表示电阻值。每种颜色都代表一个特定的阻值，因此可以通过计算色环数值总和得到电阻值。电阻上注明的电阻值仅适用于温度 20 C 的条件。之所以有这种限制是因为所有材料的电阻都会随温度而变化。标称或额定电阻采用了下列标准系列：- 标准系列 E6 20%- 标准系列 E12 10%- 标准系列 E24 5%- 标准系列 E96 1%- 标准系列 E48 2%标准系列通过每十个一组的电阻值数量来识别。下表显示了标准系列 E6、E12 和E24 的电阻值。电阻值通过压印在电阻器上的数值或通过色环识别。机械可变电阻机械可变电阻分为：
23、 电位器 微调电位器它们具有相同的电气功能（可变分压器）。电位器的电阻值可随时改变，而微调电位器的电阻值只能在进行调节时偶尔改变。电位器装在防尘套内，有一个轴。电压电源的内阻至今我们都假设，一个电压电源始终提供规定电压 U，例如扁电池提供 4.5 V 电压。但当接通一个或多个能量转换器（俗称用电器，例如灯泡、发电机等）时，所有电池和大部分供电单元都会出现电压降。例如，将一个 4.5 V/ 2 W 灯泡接到扁电池上时，电压就会由 4.5V 降到 4.3 V。原因在于电压电源（电池）的内阻 Ri。可将实际中的电池想像成一个由理想恒压电源（电源电压为 Uq、电阻为内阻 Ri）组成的串联电路。当然实际
24、上并没安装什么电阻，这只是一个示意图，一个“替代电路图”。电源电压 Uq 保持不变，即不受电流 I 的影响。现在通过能量转换器 RL（负载电阻、外阻、“用电器”）向内阻为 Ri、电源电压为 Uq（电动势）的电压电源施加负荷。负载电阻 RL 不会获得接线柱 A 和 B 上的全部电源电压，因为一部分在蓄电池内阻 Ri中损耗。UKL = Uq - URi电流 I 流经外部电路时，接线柱电压就会降低I*Ri（电流 I 流经内阻 Ri 时内阻上的电压降）。因此接线柱电压（即电阻 RL 上的电压）就会随电流的升高而降低。欧姆定律欧姆定律（根据其发明者 Georg Simon Ohm命名）是最重要的电工学定
25、律之一，它描述了电压、电流和电阻之间的关系。定义欧姆定律的内容是，在恒温下一个金属导体上的电压降 U 与流经导体的电流强度为 I 的电流成正比。电压 (U) = 电流 (I) * 电阻 (R)利用欧姆定律可计算出一个电路的三个基本参数，前提是至少已知其中的两个参数。这三个基本参数是电压、电流和电阻。欧姆定律可用以下三个公式表达：U = I * RI = U / RR = U / I例如：如果在电阻 1 欧姆的用电器上施加 1 伏特电压，则电路内的电流强度为 1 安培。电压升高时，电流也随之升高。用电器电阻升高时，在电压保持不变的情况下电流减小。魔法三角可用于辅助确定欧姆定律的不同公式。实际提示
26、：如果很难接入电路或不允许断开电路，则要测量电路内已知电阻上的电压。随后可通过欧姆定律计算出电流。电功率从技术角度来说，“电流消耗”这种通俗的表述是不正确的，因为流入设备的电流还会再次流出。事实上，涉及普通家用电流时，电子只是在导体内短程往复“摆动”，而不会有明显数量的电子从导线流入设备内。实际“流动”的是电能。电能也同样不像通俗表述的那样消耗掉，而是进行相应转换，例如转化为机械能（发动机）、热能（电吹风）和化学能（例如手机电池充电时）。此时所做的功（电压、电流强度和时间的乘积）由一个所谓的电度表确定。因此，“电流消耗”的计量单位是能量单位“千瓦小时”，而不是电流单位“安培”。一般来说，功率是
27、指特定时间内做功多少的能力。电功率是电子学和电工学中定义表述差异最大的一个数值。所有功率的共同点（针对直流电压）是计量单位和公式符号。公式符号电功率的公式符号是大写的 P。计量单位电功率的基本单位是瓦特（W）或伏安（VA）。后者通过电压和电流计算出来。计量单位 VA经常可以在变压器和电机上看到。电功率 P、电压 U、电流和电阻之间的数学关系参见下图。可通过两个已知的电参数计算出一个未知的电参数，例如P = U*I车辆发动机的功率也表示为 kW。电路到现在为止，我们谈及的电路都由一个电压电源和一个负载电阻构成。但在车辆上一个电压电源（车载网络供电）会同时接有很多用电器。这种电路称为扩展型电路。扩
28、展型电路分为两种基本连接方式：- 并联- 串联下面以电阻为用电器介绍这两种连接方式。与其它用电器连接时，例如电机、白炽灯泡或继电器，情况基本相同。在车辆电气系统中电路也用电路图来表示。与以前所示电路图的唯一区别是未画出回流导线。在 BMW 车辆中回流导线通过车身即电气接地表示。接地用以下电路符号表示。车辆上的所有接地连接都通过车身以电气方式相互连接。车身通过一根铜带与蓄电池负极接线柱连接在一起。电阻并联和串联电阻串联串联时将所有电阻依次连接在一起。电流先后经过每个电阻，也就是说必须克服总电阻。相同电流经过所有电阻时这些电阻为串联形式。总电压 Utotal 分布在串联电路的各个电阻上。各部分电压
29、之和等于总电压。Utotal = U1+U2 + U3由于串联电路内各处的电流大小都相等，因此不同电阻的电压降 / 局部电压不同。电压与对应的电阻成正比。串联电路的总电阻是各串联电阻之和。Rtotal = R1+R2+R3总电压分配在最大电阻上的电压降最大。总电压分配在最小电阻上的电压降最小。电阻并联不是将电阻依次连接，而是将其并排连接时称为并联。在这个电路中有更大的横截面供电流通过。因此总电阻较小。并联电路的总电阻始终小于最小的单个电阻。电阻并联时，施加在所有电阻上的电压都相同。总电流在电阻的连接点处分为多个分电流。分电流的总和等于总电流。Itotal = I1 + I2 + I3并联电路的总电阻小于最小的单个电阻。电流可以更好地通过各个并联电阻，即电导率升高。利用下列公式计算三个电阻并联时的总电阻。基尔霍夫定律基尔霍夫第一定律（节点定律）并联电阻时会出现电流的汇合点，即所谓的节点。观察节点周围的电流时会发现，流入节点的电流总量与流出节点的电流总量相等。通过节点定律可计算出某个节点处的未知电流。节点定律的内容是：在每个节点处流入的电流总量与流出的电流总量相等，或所有电流的总量为零。I1 + I2 = I3 + I4 + I5基尔霍夫第二定律（回路
